基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法

本发明涉及爆破机理研究，尤其涉及基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法，

背景技术：

1、快速掘进是煤炭工业研究的热点问题之一，随着近年来煤矿掘进机械装备发展迅速，综掘效率显著提高，虽然炮掘效率远低于综掘，安全性也较低，但因其地质适应性更好，在煤矿巷道掘进中仍占很大比重，爆破首先以冲击波形式作用于炮孔周边，随后逐渐衰减为应力波和地震波，顶板在应力波作用下存在压破坏风险，同时，顶板质点上下振动使其在宏观上表现为挠曲，存在拉破坏风险，也即顶板的振动效应，顶板在爆破前受到下方岩石的支撑作用，爆破使顶板下方失去支撑，顶板从三向应力状态变为二向应力状态，表现出卸荷效应，在振动效应和卸荷效应的影响下，势必会严重影响顶板稳定，发生超挖、欠挖甚至冒落伤人等事故的风险增大，爆破掘进首先要将爆破岩石破碎并抛出，学者们从破岩角度针对炮孔布置形式、炮孔尺寸、炸药量开展了系统研究，为爆破参数选择提供了重要基础，

2、在爆破设计中，掏槽眼和辅助眼装药量和炮孔深度较大，但是一般布置在巷道的中下部，距离顶板较远，已有研究表明，爆炸应力在岩石中按指数衰减，掏槽眼和辅助眼作用在顶板的载荷小，对顶板稳定性威胁较小，周边眼要保证巷道断面、形状符合设计要求，上部周边眼距离顶板近，作用在顶板的载荷大，如果周边眼爆破参数不合理，容易造成顶板超挖、欠挖，甚至是大面积的冒落，经过检索，现阶段关于周边眼爆破参数的研究还处于空白状态，

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法，

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法，采用光面爆破，全断面一次成巷，爆破后，高温高压的爆轰气体破碎岩石并向外扩散，将以冲击波、应力波形式作用于顶板，作用于顶板的动载衰减为应力波，且炮孔壁所受的动载峰值表达式为：

4、

5、式中，ρ0为顶板密度，2300kg/m3；d为爆轰速度，3800m/s；γ为炸药的等熵指数，一般取3.0；dc为药卷直径，35mm；db为炮孔直径，42mm；lc为装药长度，1.2m；lb为炮孔长度，2.8m；

6、应力波在传播过程中由于发生几何衰减和能量损失，应力峰值将不断减小，应力峰值与距离的关系可表示为：

7、

8、式中：为相对距离，r为距装药中心的距离，rb为炮眼半径，根据爆破设计，本次计算取α应力衰减指数，α＝2-v/(1-v)；泊松比v＝0.2，α＝1.75；

9、不同炮孔爆破时产生的应力波会相互作用，微差爆破能够使应力波之间的叠加以降低振动效应，掏槽眼和辅助眼距离顶板较远，应力衰减快，本文假定顶板所受爆破动载来源于周边眼，作用在顶板的载荷峰值由公式(a2)得出；

10、根据公式(a1)与(a2)，得到爆破时作用在顶板上的载荷峰值为6.73mpa，在室内进行三轴压缩试验(σ2＝13.07mpa和σ3＝6.05mpa)，测得的砂质泥岩抗压强度为35mpa；

11、根据受力情况，写出分离体在竖直方向的力平衡和绕分离体中心点的矩平衡方程为

12、

13、式中，ρ为梁密度；s为梁的截面积，由泰勒级数展开，略去二阶及以上高阶项，有代入式(a3)得

14、

15、由材料力学中弯矩和挠度的关系

16、

17、代入得到横向振动微分方程

18、

19、进而得

20、

21、设方程(a7)的解为

22、w(x,t)＝g(x)sinωt        (a8)

23、将方程(a8)代入方程(a7)得

24、

25、上式对应的特征方程为

26、

27、解得

28、

29、则通解为

30、

31、特解取

32、

33、则方程(7)的解为

34、

35、初始条件是当t＝0时，w(x,t)＝0，从上式(14)可知，初始条件自动满足，下面考虑边界条件，

36、模型为两边固支，则边界条件为

37、

38、令得

39、

40、求解上面的方程组，代入上式(a14)就得到顶板挠度方程，

41、岩石作为脆性材料，其抗拉强度远低于抗压和抗剪，又因为当岩梁中局部发生拉破坏，相当于减小了岩梁厚度，应力环境会进一步恶化，所以，以抗拉强度作为顶板失稳的判据，在顶板振动过程中，任一时刻任一位置的拉应力均不相同，由材料力学可知，梁在弯曲时距离中性层最远的位置拉应力最大，故建立如下的破坏判据

42、

43、本发明的优点在于：通过本发明的方法能够得出顶板不会因为爆破动载发生压破坏，同时，顶板所受爆破动载的峰值载荷随炮孔长度和装药直径增大呈指数减小、随装药长度减小呈指数增大规律，同时得到了顶板在爆破动载作用时产生的拉压分区现象，且拉压拐点距两固支端较近，还得出拉压分区现象是由于梁为抵抗固定端弯矩而产生，支座和梁中点附近是振动过程的危险区域。

技术特征：

1.基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法，其特征在于：采用光面爆破，全断面一次成巷，爆破后，高温高压的爆轰气体破碎岩石并向外扩散，将以冲击波、应力波形式作用于顶板，作用于顶板的动载衰减为应力波，且炮孔壁所受的动载峰值表达式为：

技术总结
本发明公开了基于振动理论的周边眼爆破对顶板作用机理的研究方法，采用光面爆破，全断面一次成巷，爆破后，高温高压的爆轰气体破碎岩石并向外扩散，将以冲击波、应力波形式作用于顶板，作用于顶板的动载衰减为应力波。通过本发明的方法能够得出顶板不会因为爆破动载发生压破坏，同时，顶板所受爆破动载的峰值载荷随炮孔长度和装药直径增大呈指数减小、随装药长度减小呈指数增大规律，同时得到了顶板在爆破动载作用时产生的拉压分区现象，且拉压拐点距两固支端较近，还得出拉压分区现象是由于梁为抵抗固定端弯矩而产生，支座和梁中点附近是振动过程的危险区域。

技术研发人员：杨朋,陈云,庞冬冬,周琛,邸云波,张奕轩
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27